第六章 短路电流及计算

第六章短路电流及计算第一节短路的原因及后果一、短路的原因短路是指系统正常运行情况以外的，一切相与相之间或相与地之间金属性短接或经过小阻抗短接。

供配电系统发生短路故障的主要原因有：1．电气设备载流部分的绝缘损坏。

这种损坏可能是由于设备的绝缘材料自然老化；或由于绝缘强度不够而被正常电压击穿；2．设备绝缘正常而被各种形式的过电压（包括雷电过电压）击穿；3．如输电线路断线、线路倒杆或受到外力机械损伤而造成的短路。

4．工作人员由于未遵守安全操作规程而发生人为误操作，也可能造成短路。

5．一些自然现象（如风、雷、冰雹、雾）及鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间，也是造成短路的一个原因。

二、短路后果1．短路电流增大，会引起电气设备的发热，损坏电气设备。

2．短路电流流过的线路，产生很大的电压降，使电网的电压突然下降，引起电动机的转速下降，甚至停转。

3．短路电流还可能在电气设备中产生很大的机械力（或称电动力）。

此机械力可引起电气设备载流部件变形，甚至损坏。

4．当发生单相对地短路时，不平衡电流将产生较强的不平衡磁场，对附近的通迅线路、铁路信号系统、可控硅触发系统以及其他弱电控制系统可能产生干扰信号，使通讯失真、控制失灵、设备产生误动作。

5．如果短路发生在靠近电源处，并且持续时间较长时，则可导致电力系统中的原本并联同步（不同发电机的幅值、频率、波形、初相角等完全相同吻合）运行的发电机失去同步，甚至导致电力系统的解列（电力网中不同区域、不同电厂的发电机无法并列运行），严重影响电力系统运行的稳定性。

第二节短路故障的种类供电系统中短路类型与电源的中性点是否接地有关，在中性点不接地系统中，可能发生的短路有三相短路、两相短路。

而在中性点接地系统中，可能发生的短路除三相短路及两相短路外，尚有单相接地短路及两相接地短路。

图6-1是不同的短路故障的故障图。

图6-1 短路类型（虚线表示短路电流的路径）一、相间短路1．三相短路三相短路指供电系统中三相导线间同时短接。

此时系统每相的阻抗均相同，从电源到负载三相仍然对称，故又叫对称性短路。

2．两相短路两相短路指三相供电系统中，任意两相间发生的短接。

两相短路属于非对称性短路。

二、接地短路1．单相接地短路单相接地短路指在中性点接地系统中，任意一相经大地与电源中性点发生短接。

2．两相接地短路两相接地短路指在中性点不接地系统中，其中两不同相的单相接地所形成的相间短路；也指在中性点接地系统中，两相短路又接地的情况。

三、断相故障断相故障是指供电系统一相断开或两相断开的情况，这种故障属于不对称故障。

系统故障电流的大小与短路类型有密切关系，在中性线直接接地的电力系统中，两相短路电流约为三相短路电流的87%，单相接地短路电流约在三相短路电流的60～125%之间。

第三节 系统中性点运行方式电力系统中发电机的三相绕组通常是星形联结的，变压器高压侧绕组往往也是星形联结的，发电机、变压器绕组星形联结的结点称为中性点。

一、中性点不接地系统系统中性点不接地是指系统中性点对地绝缘。

实际上，系统中线路与大地之间、电气设备的线圈与大地之间存在分布电容，故此接地系统相当于电容接地。

如图6-2所示。

图6-2 中性点不接地系统系统在正常运行状态下，由于三相对称，三相对地充电电流的相量和为零，中性点的对地电压为零。

....0.3.2..1=++==++w v u u u u U UU U3.2..1=++I I I当系统发生单相接地短路（如L3相W 点）后，L3相的W 点为地电位，L3相W 点与地形成的回路中电压方程为：0.0..=+=w W u U U式中 W U .──线路的相电压（V ）；w u .──发电机、变压器绕组的相电压（V ）；.U──系统中性点的对地电压（V ）。

中性点的对地电压w u U .0.-=即，中性点的电压上升为相电压，图6-2（b ）中0.U 指向-w u .。

其他两相对地电压为︒-=-=+=150.....0..3j w w u u U eu u u u U U︒=-=+=150.....0..3j w w v v V e u u u u U U式中 v U .、u U .、w U .──线路的相电压（V ）；v u .、uu .、w u .──发电机、变压器绕组的相电压（V ）；.U──系统中性点的对地电压（V ）。

即非故障相的相电压由相电压升高为线电压，图6-2（b ）中U U .到UW U .，V U .到VW U .。

由此可见，单相接地后系统UV U .、VW U .、UW U .三者之间仍是一个对称三角形，因此三相的线电压对称关系并未被破坏，仅中性点及各相对地电压发生变化，非故障相对地电压值增大为3倍相电压，相间电压不变，仍然对称。

故对于该中性点不接地系统可以带故障继续运行2小时。

系统正常运行时，由于三相电压对称、三相分布电容对称且相等，故三相对地电容电流对称，和为零。

系统发生单相接地短路故障后，接地故障点通过的故障电流是两非故障（L1、L2）对地电容电流之和。

CWwj j w V U CV CU d I U C j eeu C j U C j U C j I I I ..150150......33)(3==+⨯=+=+=︒︒-ωωωω由于非故障相电压上升为线电压，扩大了3倍，非故障相的对地电容电流也扩大3倍，故障点通过的电流是非故障相间的线电流（3倍的相对地电容电流）。

所以故障点通过的电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。

由于中性点不接地系统发生单相接地后，可以带故障运行2小时，在我国系统电压6～10kV 之间的农村架空供电线路，由于线路绝缘水平低，单相接地故障多，为了提高供电可靠性而采用此系统供电。

二、中性点直接接地系统系统中性点经一无阻抗（金属性）接地线接地。

中性点直接接地方式是将变压器中性点与大地直接连接，中性点电压为地电位。

正常运行时，中性点无电流通过，单相接地时构成单相短路，接地回路通过单相短路电流，各相之间不再对称。

由于短路电流很大，可能会大于三相短路电流，引起暂态过电压。

为了防止这种情况发生，应将单相短路电流限制在25%～100％三相短路电流之间。

继电保护在此电流的起动下，迅速将故障线路切除，为了提高供电可靠性，可在线路上加装自动重合闸装置。

采用中性点直接接地方式的系统，对线路绝缘水平的要求较低，能明显降低线路造价。

其缺点之一是单相接地短路对附近的通讯线路有电磁干扰，为此，电力线路应远离通讯线路，当两线有交叉时，必须有较大的交叉角，以减少干扰的影响。

此接地系统一般应用在接有单相负载的低压（380/220V ）配电系统和电力系统高压（110kV 以上）输电线路上。

三、中性点经阻抗接地系统在系统中性点与大地之间用一阻抗相连。

根据接地电阻器电阻值的大小，接地系统分为高电阻接地和低电阻接地。

（1）高电阻接地：此种方式接地电流较小，通常在5～10A 范围内，但至少应等于系统对地的总电容电流。

保护方式需要配合接地指示器或警报器，保证故障时线路立即跳脱。

目前在我国山区35kV供电系统采用此系统运行。

（2）低电阻接地：增大接地短路电流，使保护迅速动作，切除故障线路。

电阻值的大小，必须使系统具有足够的最小接地故障电流（大约400A以上），保证接地继电器准确动作。

目前国内大城市（如北京城区内）的6～10kV配电系统均采用此系统运行。

第四节无限大功率电源供电系统的短路电流计算一、无限大功率电源所谓无限大功率系统是指当电力系统的电源距短路点较远时，由短路而引起的电源输出功率（电压和电流）的变化∆S（∆S＝∆P＋j∆Q），远小于电源所具有的功率S，即存在S>>∆S，则称改电源为无限大功率电源，记作S＝∞。

无穷大功率电源的特点是：（1）由于P>>∆P，所以可以认为在短路过程中无限大功率电源的频率是不变的；（2）由于Q>>∆Q，所以可以认为在短路过程中无限大功率电源的端电压也是恒定不变的；（3）电压恒定的电源，其内阻抗必然等于零，因此可以认为无限大功率电源的内电抗x＝0。

由以上可知接在无限大功率电源系统中，小容量负载电路中的电流发生变化，甚至发生短路故障时，系统频率及电压维持不变。

二、标么值法计算三相短路电流1．标么值的概念电力系统短路计算中，电流、电压、阻抗、容量等物理量，一般不用它们的实际有名单位表示，而习惯于用相对值表示，称为标么值。

任意一个物理量对基准值的比值称为标么值，它是个无单位的比值。

实际值标么值＝────基准值用标么值表示系统参数（如阻抗），可以避免系统电压等级不同时，参数的需要换算带来的不便。

短路计算中常用到容量S、电压U、电流I、阻抗Z，设基准值为S b、U b、I b、Z b，则各物理量的标准么值为：S U I ZS*＝── U*＝── I*＝── Z*＝──S b U b I b Z b这四个物理量之间相互关联，可认选其中两个作为基准值。

通常基准选为容量S b、电压U bS b S b U b2I b＝── Z b＝───＝──√3U b√3U b S b基准值的大小是可以任意选择的。

为了计算方便，取短路点所在线路的额定电压为基准电压，取系统短路容量或变压器的额定容量作为基准容量。

不同基准的标么值的换算：S b1 S b2 S b1 U b2Z*1: Z*2＝──:──＝──×（──）2U b12 U b22 S b2 U b12．各元件的电抗标么值（1）电力系统的电抗标么值电力系统的电阻一般很小，不予考虑。

电力系统的电抗可由系统变电站高压输电线出口断路器的启断容量S oc，或者由电力系统的短路容量S d来求。

U2 U2X s＝──或 X s＝──S oc S d式中 U──高压输电线路的额定电压。

但是为了便于计算短路电路总阻抗，免去阻抗换算麻烦，此式的U可以直接采用短路点的额定电压，即U=U b；X s──电力系统的电抗标么值，由电力系统内发电机、变压器、线路阻抗等组成，是电力系统内部电源到用户供电点之间的总电抗标么值之和；S oc──系统高压输电线出口断路器的启断容量；S d──系统短路容量。

电力系统的电抗标么值（U=U b）U2──X s S oc S b S bX*s＝──＝────＝──或 X*s＝──X b U b2 S oc S d──S b（2）变压器电抗标么值使用标么值后，变压器的一次侧和二次侧的电抗标么值不变。

一般变压器出厂时，在铭牌上有阻抗电压百分率值（U k%），则计算变压器电抗标么值U k% S bX*T＝──×──100 S T式中 S T──变压器的额定容量（kVA）；U k%──变压器的百分阻抗值。

（3）架空、电缆线路电抗标么值当选定S b与U b后，线路电抗标么值与U b无关，仅与所计算线路本身的额定电压有关。